船舶駕駛室“雨降式”空調(diào)及玻璃除霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

張新橋

（中船郵輪科技發(fā)展有限公司，上海，200137）

0 引言

船舶駕駛室是駕駛?cè)藛T指揮和操縱船舶的處所，是船上最重要的控制處所及船員的公共處所，駕駛室空調(diào)及玻璃除霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)是船舶通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要部分。大型客船在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)口的布置需與艙室環(huán)境進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，選擇合適的風(fēng)口型式直接關(guān)系到艙室環(huán)境的美觀性。“雨降式”空調(diào)系統(tǒng)由于其良好的舒適型、整體美觀性，越來越多的得到了船東及乘客的認(rèn)可，在大型客船上的應(yīng)用也越來越普遍。

另外，大型客船的駕駛室一般比較寬敞，為了使駕駛?cè)藛T有較好的操作視野，窗戶數(shù)量較多，從而使得玻璃除霧系統(tǒng)總風(fēng)量及所需電加熱量比較大。由于船體結(jié)構(gòu)限制，船舶駕駛室一般層高都比較低，導(dǎo)致駕駛室空調(diào)系統(tǒng)的放樣難度非常大。本文提出駕駛室空調(diào)系統(tǒng)與玻璃除霧系統(tǒng)合并設(shè)計(jì)，較少了駕駛室風(fēng)管數(shù)量，有效的解決了這一困難，供工程技術(shù)及設(shè)計(jì)研究人員參考。

1 駕駛室“雨降式”空調(diào)系統(tǒng)

1.1 駕駛室設(shè)計(jì)模型介紹及熱負(fù)荷計(jì)算

圖1 駕駛室布局

表1 空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)狀態(tài)

圖1展示了作為研究對象的駕駛室的布局。駕駛室房間總面積為240 m2，長26.4m，寬25.6m，凈高2.3m，甲板高度為2.9m。為了使駕駛?cè)藛T有較好的操作視野，駕駛室的四周布置了窗戶。同時(shí)，本船的駕駛室舯部的梯道與下層的船廠甲板梯道相連。在房間的處所劃分上，駕駛室雨此處的梯道屬于同一處所，即控制站。

本船的送風(fēng)溫差，冬季和夏季都按照10℃來進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)ISO7547-2009計(jì)算房間的夏季及冬季負(fù)荷，按照設(shè)定的送風(fēng)溫差計(jì)算相應(yīng)的夏季需求風(fēng)量了冬季需求風(fēng)量，最后與駕駛室換氣風(fēng)量、新風(fēng)風(fēng)量的進(jìn)行比較，取四個(gè)送風(fēng)風(fēng)量的最大值，得出駕駛室最終采用風(fēng)量為7920m3/h，關(guān)于熱負(fù)荷的具體計(jì)算，非本文的重點(diǎn)，不作詳細(xì)介紹。

1.2 駕駛室“雨降式”空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上文所述，駕駛室空調(diào)系統(tǒng)總送風(fēng)風(fēng)量為7920m3/h，風(fēng)量相對較大。如果采取傳統(tǒng)的布風(fēng)器+散流器的送風(fēng)方式，按照每個(gè)布風(fēng)器的最大送風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)量350m3/h，那么整個(gè)駕駛室需要布置約25個(gè)布風(fēng)器。數(shù)量如此之多，不利于燈及布風(fēng)器的協(xié)調(diào)布置，影響了房間的整體美觀效果。在這種情況下，為達(dá)到更好的設(shè)計(jì)效果，本船駕駛室采用“雨降式”空調(diào)系統(tǒng)。

“雨降式”送風(fēng)是利用天花板上面的空間為穩(wěn)壓層，空氣由送風(fēng)管進(jìn)入穩(wěn)壓層后，在靜壓作用下，通過在天花板上開設(shè)的具有大量小孔的多孔板，均勻地進(jìn)入空調(diào)房間內(nèi)的送風(fēng)方式，回風(fēng)口均勻地布置在房間的下部[1]。根據(jù)本研究對象特點(diǎn)，回風(fēng)口可以布置在駕駛室舯部梯道的下層甲板（即船長甲板），通過下層甲板進(jìn)行回風(fēng)，這樣可以很好的利用雨降送風(fēng)的優(yōu)勢，上部送風(fēng)，下部回風(fēng)，整體送風(fēng)效果顯著提高。

“雨降式”孔板送風(fēng)具有送風(fēng)均勻，區(qū)域溫差小的特點(diǎn)，能夠提高房間的舒適性。船舶“雨降式”孔板送風(fēng)歸納起來，有以下兩種方式：

（1）全面孔板送風(fēng)形式，即將天花板及以上甲板空間看作一個(gè)大的雨降靜壓箱，天花板全部采用孔板來進(jìn)行送風(fēng)，此方式風(fēng)管布置相對方便，但其明顯的缺點(diǎn)就是容易產(chǎn)生熱橋效應(yīng)，冷量易通過甲板及艙壁損失，從而對甲板和艙壁絕緣的材質(zhì)、施工工藝等提出了較高要求[2]。

（2）局部孔板送風(fēng)形式，即根據(jù)艙室結(jié)構(gòu)均勻的布置若干的雨降靜壓箱，雨降靜壓箱下方布置孔板。同時(shí)由于客觀原因，電纜及管系部件可以穿過雨降靜壓箱。若采用此方式，雨降靜壓箱的布置需要和其他專業(yè)進(jìn)行協(xié)調(diào)才能找到最佳的布置方式。本文介紹的駕駛室孔板送風(fēng)采用局部孔板送風(fēng)方式。

“雨降式”空調(diào)送風(fēng)的設(shè)計(jì)原則如下：

（1）根據(jù)國外大型客船、豪華郵輪設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為了取得較好的“雨降式”送風(fēng)效果，風(fēng)速一般不宜過高，最簡單的近似計(jì)算方法為：

雨降送風(fēng)風(fēng)速V（m/s）≤房間凈高（m）-1；

（2）一般來說，抽風(fēng)末端一般不宜采用孔板抽風(fēng)，這是因?yàn)槌轱L(fēng)時(shí)孔板容易造成灰塵堵塞，不易清潔，影響美觀，故一般采用條縫進(jìn)行四周抽風(fēng)。本船由于駕駛室構(gòu)造的原因，回風(fēng)可以通過下層甲板進(jìn)行回風(fēng)，故不需要采取條縫來進(jìn)行回風(fēng)。

（3）雨降靜壓箱必須保證氣密，并且絕緣需要包扎完整，避免由于熱橋效應(yīng)造成跑冷現(xiàn)象，施工工藝要求比較高。

（4）若由于客觀原因，電纜及管系部件需要穿過雨降靜壓箱，其布置應(yīng)盡量合理，盡量不要影響雨降靜壓箱內(nèi)空氣的擴(kuò)散，進(jìn)而影響雨降送風(fēng)效果。

表2 雨降靜壓箱

圖2 雨降靜壓箱布置圖

圖3 獨(dú)立型雨降靜壓箱節(jié)點(diǎn)形式

圖4 船體結(jié)構(gòu)型雨降靜壓箱節(jié)點(diǎn)形式

根據(jù)上文所述，本船駕駛室空調(diào)送風(fēng)風(fēng)量為7920m3/h，雨降靜壓箱的布置及大小需要與其他相關(guān)專業(yè)反復(fù)溝通協(xié)調(diào)。由于本船駕駛室凈高2.3米，按照“雨降式”空調(diào)送風(fēng)的設(shè)計(jì)原則，確定“雨降”送風(fēng)風(fēng)速V≤2.3-1=1.3m/s，進(jìn)而得出每個(gè)靜壓箱的設(shè)計(jì)大小，具體雨降靜壓箱的規(guī)格及數(shù)量見表1，駕駛室雨降靜壓箱的布置見圖2。

另外，為了實(shí)現(xiàn)駕駛室空調(diào)變風(fēng)量控制，在駕駛室均勻的布置了5個(gè)溫度傳感器（為了盡可能精確的提取駕駛室房間的平均溫度值），其具體的布置位置見圖2。

駕駛室空調(diào)系統(tǒng)變風(fēng)量控制模式如下：根據(jù)5個(gè)溫度傳感器反饋過來的溫度信息（取溫度平均值）與房間需求溫度進(jìn)行比較，同時(shí)調(diào)節(jié)空調(diào)器風(fēng)機(jī)電機(jī)頻率及冷熱媒水調(diào)節(jié)閥開度，進(jìn)而調(diào)整空調(diào)器送風(fēng)量及空調(diào)器送風(fēng)溫度，從而保證房間溫度基本穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了駕駛室空調(diào)系統(tǒng)變風(fēng)量控制。

1.3 雨降靜壓箱設(shè)計(jì)

雨降靜壓箱是“雨降式”空調(diào)系統(tǒng)的的重要組成部分。雨降靜壓箱的設(shè)計(jì)好壞，直接關(guān)系到駕駛室空調(diào)系統(tǒng)的舒適性、美觀性。

雨降靜壓箱的型式有以下兩種：

（1）獨(dú)立型，具體的節(jié)點(diǎn)形式見圖3。這種雨降靜壓箱不需要利用船體結(jié)構(gòu)，可以提前預(yù)制。由于與船體結(jié)構(gòu)不直接接觸，能夠避免與船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱橋效應(yīng)。但空間的利用率較低，一般適用于層高比較高的甲板之間。

（2）船體結(jié)構(gòu)型，具體的節(jié)點(diǎn)形式見圖4。這種雨降靜壓箱需要充分的利用船體結(jié)構(gòu)，船體結(jié)構(gòu)為雨降靜壓箱的一部分，一般不可以預(yù)制，需要在船上現(xiàn)場安裝。由于與船體結(jié)構(gòu)直接接觸，如果內(nèi)部絕緣工藝差，很容易與船體結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生熱橋效應(yīng)。但空間的利用率較高，能夠有效的減少船廠的布置難度。隨著船廠絕緣工藝越來越成熟，越來越多的“雨降式”空調(diào)系統(tǒng)采取這種方式，本船也采用這種方式。

圖5 駕駛室除霜系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)合并設(shè)計(jì)P&I圖

一般來說，雨降靜壓箱的設(shè)計(jì)要素如下：

（1）孔板有效通風(fēng)面積比。為了保證房間均勻送風(fēng)，需要合理的選擇孔板的有效通風(fēng)面積比。一般按照10%～20%來進(jìn)行選擇。孔板有效通風(fēng)面積越小，壓損越大，相關(guān)風(fēng)機(jī)選擇時(shí)要注意；

（2）箱體絕緣工藝。為了避免出現(xiàn)跑冷現(xiàn)象或熱橋效應(yīng)，靜壓箱內(nèi)部需要包絕緣，一般采取25mm的巖棉，絕緣安裝工藝需嚴(yán)格檢查；

（3）箱體內(nèi)部風(fēng)管。為了降低箱體內(nèi)部送風(fēng)噪音，實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)，箱體內(nèi)部風(fēng)管一般需要采用消音風(fēng)管（即在風(fēng)管上開若干個(gè)小孔）。若靜壓箱比較大，為實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)，還需要在箱體內(nèi)部增加三通開支管；

（4）靜壓箱與天花板連接。靜壓箱與天花連接一般采用膠水連接，并且在外部包一層鋁箔，實(shí)現(xiàn)密封。

2 駕駛室玻璃除霧系統(tǒng)

2.1 駕駛室除霧系統(tǒng)控制原理

本船將駕駛室除霧系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)融合在一起，總風(fēng)管送到駕駛室后在末端分別送雨降系統(tǒng)和除霜系統(tǒng)，并且通過電動(dòng)關(guān)閉風(fēng)閘閥進(jìn)行融霜運(yùn)行模式和一般運(yùn)行模式切換，具體的實(shí)現(xiàn)方式見圖5。

關(guān)于駕駛室除霧系統(tǒng)要求如下：

（1）管道加熱器需自帶風(fēng)流量開關(guān)，管道加熱器和電動(dòng)風(fēng)閘DFA進(jìn)行連鎖；

（2）管道電加熱器需要與電動(dòng)風(fēng)閥DFA提供運(yùn)行切換延遲；

（3）電動(dòng)風(fēng)閥運(yùn)行程序要求：

一般運(yùn)行：電動(dòng)風(fēng)閥DFA關(guān)閉，DFB打開；

融霜運(yùn)行：電動(dòng)風(fēng)閥DFA打開，DFB關(guān)閉。

2.2 駕駛室除霧系統(tǒng)計(jì)算

按照駕駛室玻璃窗布置，玻璃窗總面積為100m2，按照ISO8863， 計(jì)算用于駕駛室除霜的風(fēng)量：

V=100×54m3/h=5400m3/h （實(shí)際設(shè)計(jì)取整5400m3/h）

由于本船將駕駛室除霧系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)融合設(shè)計(jì)，除霧系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)溫度為空調(diào)送風(fēng)溫度，駕駛室冬季送風(fēng)溫度為32℃，那么對應(yīng)的除霧空氣電加熱量：

圖6 “雨降式”空調(diào)及玻璃除霧系統(tǒng)風(fēng)管局部布置圖

Q=C×ρ×V×△T=1012×1.293×5400×(42-32)/3600=19627W=19.627kW （實(shí)際設(shè)計(jì)取整20kW）

普通商船駕駛室除霧系統(tǒng)一般與空調(diào)系統(tǒng)分開設(shè)計(jì)，除霧系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)溫度為房間溫度，冬季駕駛室溫度一般按照22℃，那么對應(yīng)的除霧空氣電加熱量為：

Q=C×ρ×V×△T=1012×1.293×5400×(42-22)/3600=39255W=39.255kW （實(shí)際設(shè)計(jì)取整40kW）

根據(jù)上述計(jì)算，我們可以看出，采用駕駛室除霧系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)融合設(shè)計(jì)，除霧空氣電加熱量減少了一半，減少了設(shè)備尺寸，節(jié)能效果顯著。

2.3 駕駛室除霧系統(tǒng)布置

“雨降式”空調(diào)及玻璃除霧系統(tǒng)風(fēng)管局部布置圖見圖6，當(dāng)融霜模式時(shí)，電動(dòng)風(fēng)閥DFA開啟，DFB關(guān)閉；當(dāng)一般模式時(shí)，電動(dòng)風(fēng)閥DFA關(guān)閉，DFB開啟。“雨降式”空調(diào)及玻璃除霧系統(tǒng)風(fēng)管共用同一送風(fēng)主管，從而減少了駕駛室風(fēng)管尺寸及數(shù)量，便于船廠進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)放樣。由于船體結(jié)構(gòu)的限制，駕駛室的層高一般非常有限，此方法能夠有效的解決船廠的布置問題。

3 結(jié)論

隨著船舶業(yè)的發(fā)展，“雨降式”空調(diào)系統(tǒng)越來越多的應(yīng)用于船舶，但國內(nèi)對“雨降式”送風(fēng)的研究還比較少，本文介紹的船舶駕駛室“雨降式”空調(diào)系統(tǒng)供大家參考。另外，本文從方便船廠放樣和節(jié)能的角度，提出駕駛室除霧系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)合并設(shè)計(jì)，在一定的程度上，對后續(xù)客船駕駛室的設(shè)計(jì)也有一定的指導(dǎo)意義。